In questa tesi sono presentati algoritmi per le stime, in ROIs irregolari di immagini a scale di grigio, della dimensione frattale(DF) e di indici per la caratterizzazione dei loro istogrammi. Tali strumenti sono stati testati in due lavori. Il primo riguarda un nuovo metodo di valutazione dell’hepato-renal ratio(HRR) per la valutazione quantitativa della steatosi epatica con immagini ecografiche. L’HRR è stato definito come il rapporto dell’intensità media di due ROIs rispettivamente del fegato e del rene. Il metodo proposto prevede la selezione di ROIs a “mano libera”(ROIs fh).Le ROIs sono quindi sottoposte a pre-processing(PP), consistente nella“normalizzazione delle ROIs”,per rendere le due aree più comparabili, e nello smoothing dei relativi istogrammi normalizzati.L’HRR è stato calcolato sulla base del PP delle ROIs. Per testare l’efficacia del PP, il procedimento è stato ripetuto da un secondo operatore con ROIs di forma ellittica o circolare(ROIs e/c).Il dataset analizzato è di 98 scansioni di 32 pazienti(23 pazienti con più scansioni).L’efficacia della tecnica è stata valutata confrontandola con un metodo(metodo di riferimento,MR)sviluppato sulla base di precedenti lavori. La variabilità inter-scansione è stata valutata calcolando il massimo tra i valori assoluti delle differenze degli HRRs delle scansioni di uno stesso paziente. Gli HRRs ottenuti con il PP delle ROIs non hanno mostrato differenze significative rispetto a quelli ottenuti con il MR(p-value=0.52 per ROIs fh e p-value=0.14 per ROIs e/c).Un analogo risultato è stato conseguito nel confronto tra gli HRRs ottenuti dal PP delle ROIs e/c e quelli risultanti dal PP delle ROIs fh,(p-value=0.46).Il metodo presentato(con PP di ROIs fh )ha mostrato una variabilità inter-scansione minore del MR(p-value<0.001).I risultati preliminari sembrano confermare che il metodo proposto è riproducibile ed ha un’efficacia clinica comparabile al MR. L’oggetto del secondo lavoro è la valutazione quantitativa delle alterazioni ecografiche dello sfintere anale interno(IAS) associate l’invecchiamento.62 soggetti sani di età tra i 19 e gli 87anni sono stati sottoposti a endosonografia anale 3D.La parte mediale dell’IAS è stata valutata con misurazioni di volume, dell’intensità mediana(IM) e della DF.L’età dei soggetti è stata rappresentata attraverso una variabile a tre livelli(19-59, 60-69 e 70-87anni).Per lo studio delle associazioni tra l’età e le caratteristiche dell’IAS è stata impiegata la “path analysis”(PA).L’IM e la DF sono state incluse nella PA come potenziali mediatori dell’effetto dell’età sul volume se, nell’analisi descrittiva, essi mostravano un andamento crescente con l’età. L’associazione tra ogni coppia di variabili è stata espressa mediante il rapporto tra i valori attesi(REV:1=nessuna associazione,<1=associazione negativa,>1=associazione positiva).Nell’analisi descrittiva, contrariamente all’IM ed al volume, la DF non ha mostrato un andamento crescente con l’età ed è stata quindi esclusa dalla PA.Nella PA, l’IM ha mostrato un aumento significativo solo tra i soggetti più anziani e quelli più giovani(70-87vs.19-59anni,REV=1.21, p-value=0.048).È stato osservato solo un effetto diretto dell’età sul volume(60-69vs.19-59anni,REV=1.21, p-value=0.070 e 70-87vs.19-59anni,REV=1.32,p-value=0.015).L’IM appare efficace nel rilevare alterazioni della texture dell’IAS legate all’invecchiamento.I risultati ottenuti, sembrano non supportare l’ipotesi di un’associazione tra il processo di fibrosi dell’IAS legato all’invecchiamento e l’aumento di volume muscolare legato all’età. In entrambi i lavori la verifica dei risultati ottenuti,e/o delle relative interpretazioni, richiederà ulteriori indagini con studi che validino le misurazioni ecografiche attraverso rilevazioni istologiche su un largo campione di soggetti. I due studi sono esempi di come l’analisi della texture possa contribuire a realizzare nuovi strumenti clinici in grado di produrre valutazioni oggettive e quantitative

This thesis presents algorithms for the assessment, in irregular gray scale image ROIs, of the fractal dimension (FD) and indices aimed at the characterization of the related histograms. The tools were tested by their applications in the two studies. The first study shows the preliminary results obtained in the experimentation of a new method for liver steatosis quantification by means of ultrasound image analysis. This method is based on hepato-renal ratio (HRR) assessment. HRR was assessed as the ratio between the mean intensities of pixels belonging to two ROIs located respectively in the liver and the kidney. In the method outlined here, the operator selects two ROIs by “freehand”(fh ROIs).The ROIs were subsequently pre-processed, via “ROI normalization”, to make the two areas more comparable, and smoothing out the related normalized histograms. Then HRRs were calculated on the basis of the histograms obtained from pre-processing(PP). In order to test the efficacy of the PP, the procedure was repeated by a second operator, using elliptical and/or circular ROIs(e/c ROIs). The dataset comprised 98 images of 32 patients(for 23 patients more than one scan was performed). The efficacy of the technique presented was tested by comparison with a method developed on the basis of previous works. The HRRs obtained with ROIs pre-processing did not differ significantly from those of the reference method (for the fh ROIs and e/c ROIs the p-values were 0.52 and 0.14 respectively). A similar result was obtained by comparing the HRRs derived from the PP of the e/c ROIs and those resulting from the PP of fh ROIs (p- value=0.46).The method for HRR assessment presented here (on the basis of the PP of fh ROIs) gave a smaller inter-scan variability than the reference method (p-value<0.001). Preliminary results seem to confirm that the proposed method is reproducible and has clinical efficacy comparable to the reference method. The second study aimed at the quantitative assessment of the ultrasound alterations of the internal anal sphincter(IAS), associated with aging. 62 healthy subjects aged between 19 and 87 underwent 3D endoanal ultrasonography. The medial part of the IAS was characterized by assessments of the volume, median voxel intensity (MI) and FD. The age of the subjects under analysis was classified as a three-level variable(19-59, 60-69 and 70-87years). The associations between age and IAS characteristics were evaluated by a path analysis(PA).The MI and the FD were included in the PA as potential mediators of the effect of age on the volume only if they showed an increasing trend according to aging by descriptive analysis. The association between each pair of variables was summarized using the ratio of expected values(REV: 1=no association, <1=negative association, >1=positive association).In descriptive analysis, unlike for volume and MI, the FD did not show an increasing trend according to aging, therefore it was excluded from PA. In the PA, the MI showed a statistically significant difference between older and younger subjects only(70-87vs.19-59 years, REV= 1.21, p-value=0.048). Furthermore solely a direct positive effect of age on volume was observed(60-69 vs.19-59 years, REV=1.21, p-value=0.070 and 70-87vs.19-59 years, REV=1.32, p-value=0.015).The MI seems to be an appropriate measure of echotexture alterations in the IAS related to aging.The findings obtained appear not to support the hypothesis that there is an association between the age-related physiological process of fibrosis and a volume increase with age. For both works presented, the results obtained and/or related interpretations require verification by further investigation via studies aimed at the validation of ultrasound assessments by histological findings, analyzing a large sample of subjects. These studies are examples of how texture analysis can be used to provide new tools able to perform objective and quantitative assessments for clinical purpose

METODI PER L’ANALISI DELLA TEXTURE DI REGIONI DI INTERESSE (ROIs) DI FORMA IRREGOLARE PER IMMAGINI BIOMEDICHE

SBOARINA, Andrea
2015-01-01

Abstract

In questa tesi sono presentati algoritmi per le stime, in ROIs irregolari di immagini a scale di grigio, della dimensione frattale(DF) e di indici per la caratterizzazione dei loro istogrammi. Tali strumenti sono stati testati in due lavori. Il primo riguarda un nuovo metodo di valutazione dell’hepato-renal ratio(HRR) per la valutazione quantitativa della steatosi epatica con immagini ecografiche. L’HRR è stato definito come il rapporto dell’intensità media di due ROIs rispettivamente del fegato e del rene. Il metodo proposto prevede la selezione di ROIs a “mano libera”(ROIs fh).Le ROIs sono quindi sottoposte a pre-processing(PP), consistente nella“normalizzazione delle ROIs”,per rendere le due aree più comparabili, e nello smoothing dei relativi istogrammi normalizzati.L’HRR è stato calcolato sulla base del PP delle ROIs. Per testare l’efficacia del PP, il procedimento è stato ripetuto da un secondo operatore con ROIs di forma ellittica o circolare(ROIs e/c).Il dataset analizzato è di 98 scansioni di 32 pazienti(23 pazienti con più scansioni).L’efficacia della tecnica è stata valutata confrontandola con un metodo(metodo di riferimento,MR)sviluppato sulla base di precedenti lavori. La variabilità inter-scansione è stata valutata calcolando il massimo tra i valori assoluti delle differenze degli HRRs delle scansioni di uno stesso paziente. Gli HRRs ottenuti con il PP delle ROIs non hanno mostrato differenze significative rispetto a quelli ottenuti con il MR(p-value=0.52 per ROIs fh e p-value=0.14 per ROIs e/c).Un analogo risultato è stato conseguito nel confronto tra gli HRRs ottenuti dal PP delle ROIs e/c e quelli risultanti dal PP delle ROIs fh,(p-value=0.46).Il metodo presentato(con PP di ROIs fh )ha mostrato una variabilità inter-scansione minore del MR(p-value<0.001).I risultati preliminari sembrano confermare che il metodo proposto è riproducibile ed ha un’efficacia clinica comparabile al MR. L’oggetto del secondo lavoro è la valutazione quantitativa delle alterazioni ecografiche dello sfintere anale interno(IAS) associate l’invecchiamento.62 soggetti sani di età tra i 19 e gli 87anni sono stati sottoposti a endosonografia anale 3D.La parte mediale dell’IAS è stata valutata con misurazioni di volume, dell’intensità mediana(IM) e della DF.L’età dei soggetti è stata rappresentata attraverso una variabile a tre livelli(19-59, 60-69 e 70-87anni).Per lo studio delle associazioni tra l’età e le caratteristiche dell’IAS è stata impiegata la “path analysis”(PA).L’IM e la DF sono state incluse nella PA come potenziali mediatori dell’effetto dell’età sul volume se, nell’analisi descrittiva, essi mostravano un andamento crescente con l’età. L’associazione tra ogni coppia di variabili è stata espressa mediante il rapporto tra i valori attesi(REV:1=nessuna associazione,<1=associazione negativa,>1=associazione positiva).Nell’analisi descrittiva, contrariamente all’IM ed al volume, la DF non ha mostrato un andamento crescente con l’età ed è stata quindi esclusa dalla PA.Nella PA, l’IM ha mostrato un aumento significativo solo tra i soggetti più anziani e quelli più giovani(70-87vs.19-59anni,REV=1.21, p-value=0.048).È stato osservato solo un effetto diretto dell’età sul volume(60-69vs.19-59anni,REV=1.21, p-value=0.070 e 70-87vs.19-59anni,REV=1.32,p-value=0.015).L’IM appare efficace nel rilevare alterazioni della texture dell’IAS legate all’invecchiamento.I risultati ottenuti, sembrano non supportare l’ipotesi di un’associazione tra il processo di fibrosi dell’IAS legato all’invecchiamento e l’aumento di volume muscolare legato all’età. In entrambi i lavori la verifica dei risultati ottenuti,e/o delle relative interpretazioni, richiederà ulteriori indagini con studi che validino le misurazioni ecografiche attraverso rilevazioni istologiche su un largo campione di soggetti. I due studi sono esempi di come l’analisi della texture possa contribuire a realizzare nuovi strumenti clinici in grado di produrre valutazioni oggettive e quantitative
analisi della texture; ROIs irregolari; steatosi epatica; sfintere anale interno
This thesis presents algorithms for the assessment, in irregular gray scale image ROIs, of the fractal dimension (FD) and indices aimed at the characterization of the related histograms. The tools were tested by their applications in the two studies. The first study shows the preliminary results obtained in the experimentation of a new method for liver steatosis quantification by means of ultrasound image analysis. This method is based on hepato-renal ratio (HRR) assessment. HRR was assessed as the ratio between the mean intensities of pixels belonging to two ROIs located respectively in the liver and the kidney. In the method outlined here, the operator selects two ROIs by “freehand”(fh ROIs).The ROIs were subsequently pre-processed, via “ROI normalization”, to make the two areas more comparable, and smoothing out the related normalized histograms. Then HRRs were calculated on the basis of the histograms obtained from pre-processing(PP). In order to test the efficacy of the PP, the procedure was repeated by a second operator, using elliptical and/or circular ROIs(e/c ROIs). The dataset comprised 98 images of 32 patients(for 23 patients more than one scan was performed). The efficacy of the technique presented was tested by comparison with a method developed on the basis of previous works. The HRRs obtained with ROIs pre-processing did not differ significantly from those of the reference method (for the fh ROIs and e/c ROIs the p-values were 0.52 and 0.14 respectively). A similar result was obtained by comparing the HRRs derived from the PP of the e/c ROIs and those resulting from the PP of fh ROIs (p- value=0.46).The method for HRR assessment presented here (on the basis of the PP of fh ROIs) gave a smaller inter-scan variability than the reference method (p-value<0.001). Preliminary results seem to confirm that the proposed method is reproducible and has clinical efficacy comparable to the reference method. The second study aimed at the quantitative assessment of the ultrasound alterations of the internal anal sphincter(IAS), associated with aging. 62 healthy subjects aged between 19 and 87 underwent 3D endoanal ultrasonography. The medial part of the IAS was characterized by assessments of the volume, median voxel intensity (MI) and FD. The age of the subjects under analysis was classified as a three-level variable(19-59, 60-69 and 70-87years). The associations between age and IAS characteristics were evaluated by a path analysis(PA).The MI and the FD were included in the PA as potential mediators of the effect of age on the volume only if they showed an increasing trend according to aging by descriptive analysis. The association between each pair of variables was summarized using the ratio of expected values(REV: 1=no association, <1=negative association, >1=positive association).In descriptive analysis, unlike for volume and MI, the FD did not show an increasing trend according to aging, therefore it was excluded from PA. In the PA, the MI showed a statistically significant difference between older and younger subjects only(70-87vs.19-59 years, REV= 1.21, p-value=0.048). Furthermore solely a direct positive effect of age on volume was observed(60-69 vs.19-59 years, REV=1.21, p-value=0.070 and 70-87vs.19-59 years, REV=1.32, p-value=0.015).The MI seems to be an appropriate measure of echotexture alterations in the IAS related to aging.The findings obtained appear not to support the hypothesis that there is an association between the age-related physiological process of fibrosis and a volume increase with age. For both works presented, the results obtained and/or related interpretations require verification by further investigation via studies aimed at the validation of ultrasound assessments by histological findings, analyzing a large sample of subjects. These studies are examples of how texture analysis can be used to provide new tools able to perform objective and quantitative assessments for clinical purpose
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